1 引言

    刀具涂層處理是提高刀具性能的重要途徑之一，而涂層材料的選擇是影響刀具涂層性能的關(guān)鍵。根據(jù)涂層材料的性質(zhì)掩驱，可以將涂層刀具分為“硬”涂層刀具和“軟”涂層刀具兩大類(lèi)。TiC冬竟、TiN欧穴、TiCN和TiAlN 等硬涂層通過(guò)高硬度和良好的耐磨性，可降低或者減輕刀具磨損悟津，從而提高刀具的切削性能山椎。然而，使用這些涂層的刀具摩擦系數(shù)一般都較高宗瓢，加工過(guò)程中需要進(jìn)行潤(rùn)滑徒妒，當(dāng)切削速度增大時(shí)，潤(rùn)滑液作用急劇下降旷厨。而采用固體潤(rùn)滑劑如MoS2乘恩、WS2等制備的刀具“軟”涂層，因其摩擦系數(shù)很低腋意，可減輕摩擦辙霎，降低切削力和切削溫度，從而減少刀具的粘結(jié)磨損坛饥，延長(zhǎng)刀具壽命淋憋，提高加工零件質(zhì)量。

    MoS2固體潤(rùn)滑劑具有摩擦系數(shù)低吴澜、承載力大桃序、耐磨性好、與基體結(jié)合力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)烂瘫，被廣泛應(yīng)用在航空航天媒熊、電子、機(jī)械制造等領(lǐng)域坟比。Martin等通過(guò)控制濺射時(shí)的雜質(zhì)含量芦鳍、晶粒尺寸等因素，使MoS2在真空下的摩擦系數(shù)降至0.001，充分展示了MoS2所特有的減摩柠衅、潤(rùn)滑的優(yōu)異性能皮仁。另一方面，MoS2的缺陷也十分明顯：當(dāng)溫度超過(guò)400℃時(shí)MoS2即開(kāi)始氧化菲宴，并且隨著溫度的升高氧化程度逐漸加深贷祈，同時(shí)潤(rùn)滑性能急劇下降，其原因是材料發(fā)生了摩擦化學(xué)反應(yīng)喝峦，生成了硬質(zhì)顆粒MoO3势誊，增大了涂層的磨損。MoS2對(duì)于環(huán)境濕度十分敏感姚垂，易吸濕并直接導(dǎo)致摩擦系數(shù)的升高颊鳄，當(dāng)環(huán)境相對(duì)濕度由10% 升至90%時(shí)，其摩擦系數(shù)增大近一倍障氛。此外谤蚌，MoS2隨測(cè)試環(huán)境和接觸條件的變化，其性能還容易產(chǎn)生波動(dòng)磨再。MoS2的這些缺點(diǎn)使其進(jìn)一步應(yīng)用受到一定的限制借倘。目前阀霸，圍繞改善MoS2及其涂層的性能莉遥、提高M(jìn)oS2“軟”涂層刀具在切削加工中的應(yīng)用等熱點(diǎn)問(wèn)題，國(guó)內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了多方面的研究和探索屠剥。

2 MoS2“軟”涂層研究的國(guó)內(nèi)外進(jìn)展

    影響涂層性能的因素不僅有涂層材料本身的物理化學(xué)性能灶逃，還包括基體的理化性能、涂層工藝以及基體與涂層之間莫彩、涂層與涂層之間的相互匹配等鬼胸。這些影響因素可以分為以下兩方面。

2.1 基體的選擇

    基體作為涂層的支撐體琼牧，對(duì)涂層性能的影響不言而喻恢筝，有時(shí)甚至直接決定涂層工藝的成敗【薹唬基體和涂層應(yīng)在物理性能和化學(xué)性能方面相互匹配撬槽，要考慮基體是否具備高的硬度，彈性模量趾撵、熱膨脹系數(shù)等參數(shù)是否合理以及與涂層有無(wú)化學(xué)反應(yīng)等侄柔。

    荊陽(yáng)等對(duì)比了在ZL108鋁合金（90～110HV）和相對(duì)較硬的1Cr18Ni9Ti（370HV）材料上制備的MoS2復(fù)合涂層的顯微硬度值，發(fā)現(xiàn)后者的硬度比前者高出近1/5倍占调。作者分析后認(rèn)為暂题，高硬度的基體不易發(fā)生塑性變形，能夠延緩由于基體塑性變形造成的涂層過(guò)早撕裂和剝落，其作用類(lèi)似于多涂層及復(fù)合涂層中的硬質(zhì)中間層薪者，從而對(duì)表面層起到支撐作用纵苛；同時(shí)復(fù)合涂層的顯微硬度也得到明顯提高。

    基體與涂層或涂層與涂層之間熱膨脹系數(shù)和彈性模量的不同啸胧，會(huì)導(dǎo)致涂層界面間存在大小不等赶站、分布不均的殘余應(yīng)力場(chǎng)。荊陽(yáng)等在YG8和YT14表面物理氣相沉積TiN-MoS2/TiN復(fù)合涂層后鲫础，發(fā)現(xiàn)層—基之間的殘余應(yīng)力狀態(tài)均為涂層呈殘余拉應(yīng)力惕秧、基體呈殘余壓應(yīng)力，其原因是熱膨脹系數(shù)δTiN＞δYG8或δYT14嫉卵。而最終涂層內(nèi)部的應(yīng)力狀態(tài)為：YT14基體的殘余壓應(yīng)力減小的炫，而YG8基體由于與TiN 涂層相比兩者熱膨脹系數(shù)差別更大，因而不僅壓應(yīng)力消失移卢，還產(chǎn)生一定的拉應(yīng)力蜕裳，前后應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生了變化。殘余應(yīng)力場(chǎng)的存在影響了涂層與基體之間的結(jié)合力涩凑，并且層—基間熱膨脹系數(shù)相差越大呈锣，殘余應(yīng)力也越大，層—基之間的結(jié)合力越低宜掏，其適應(yīng)寬溫差環(huán)境的能力也就越差秒准。因此在選擇基體時(shí)，應(yīng)盡量選擇熱膨脹系數(shù)和彈性模量等參數(shù)與基體差別較小的材料惹虏，從而降低殘余應(yīng)力供役，提高涂層界面間的結(jié)合力。

    文獻(xiàn)還在Cu與碳鋼表面進(jìn)行了沉積MoS2/TiN的試驗(yàn)精置，結(jié)果涂層失敗计寇。作者分析后發(fā)現(xiàn)，涂層與基體在沉積過(guò)程中發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)脂倦，不純的Cu中含有的CuO與通入沉積室內(nèi)的H2S氣體分解出的H+反應(yīng)生成水汽番宁，產(chǎn)生了所謂的氫病現(xiàn)象。當(dāng)水汽膨脹時(shí)赖阻，使已形成的晶粒發(fā)生破裂蝶押，導(dǎo)致Cu基體表面出現(xiàn)0.5mm左右的凹坑，使得涂層根本無(wú)法沉積上去政供。對(duì)碳鋼基體的試驗(yàn)分析亦有類(lèi)似的結(jié)論播聪。因此選擇基體時(shí)還要考慮層—基間的化學(xué)性能匹配。需要注意的一點(diǎn)是布隔，采用化學(xué)性能相近的材料漸次形成過(guò)渡層（梯度涂層）离陶，已被廣泛應(yīng)用于多涂層和復(fù)合涂層中：性能越接近的材料匹配性能越合理稼虎，涂層界面間的結(jié)合力就越強(qiáng)，越容易形成轉(zhuǎn)移膜招刨，耐磨性越好敬挂，從而軟涂層的壽命也越長(zhǎng)。

2.2 MoS2涂層工藝

（1）涂層方法

    MoS2涂層方法分為化學(xué)氣相沉積（CVD）法和物理氣相沉積（PVD）法匣酸。與CVD法相比永韭，PVD涂層方法處理溫度低，涂層內(nèi)部狀態(tài)為壓應(yīng)力卡撤，更適合硬質(zhì)合金精密復(fù)雜刀具涂層徊押，并且對(duì)環(huán)境無(wú)不利影響，符合現(xiàn)代綠色制造的發(fā)展方向企亮。目前多采用PVD法中的濺射技術(shù)呢旋、離子鍍技術(shù)（或二者相結(jié)合）制備MoS2“軟”涂層。然而磁控濺射MoS2涂層作為目前的主流沉積方法讶里，所獲得的涂層質(zhì)量和沉積速率一直難以令人滿(mǎn)意奸先。Teer等開(kāi)發(fā)出一種被稱(chēng)作封閉磁場(chǎng)非平衡磁控濺射離子鍍（CFUBMSIP）的沉積方法，正逐步應(yīng)用到“軟”涂層的制備當(dāng)中谆精。

    提高磁控濺射時(shí)的離子流密度是改善濺射涂層性能和效率的關(guān)鍵币芽。離子的產(chǎn)生最初采用平衡磁控源，CFUBMSIP系統(tǒng)的特點(diǎn)則是在真空室內(nèi)排布使用了非平衡磁控源浮笔，系統(tǒng)中相鄰的磁控源磁場(chǎng)極性相反西设，使得整個(gè)真空室內(nèi)存在著環(huán)形磁場(chǎng)，二次電子在逃出陰極靶材表面平行磁場(chǎng)的陷阱后不能直接飛向陽(yáng)極洲胖，而是再以近似擺線(xiàn)運(yùn)動(dòng)落入封閉磁場(chǎng)的陷阱中济榨，從而提高了電子與氣體分子的碰撞幾率坯沪，大幅度增加了氣體的離化率和陰極靶所能得到的離子流密度绿映，使得系統(tǒng)具備更高的濺射速率。采用此系統(tǒng)在M42鋼表面制備的MoST（MoS2+金屬或化合物）復(fù)合涂層與純MoS2涂層的性能比較腐晾，復(fù)合涂層的性能獲得了顯著提高叉弦。

    韓成名等結(jié)合材料發(fā)展中有關(guān)“多相材料”的理念，提出一種非平衡納米復(fù)合等離子體鍍膜法（NCUPP）藻糖，其原理是在特定的工藝參數(shù)條件下淹冰，利用氣體放電使氣體或被蒸發(fā)物質(zhì)離化，產(chǎn)生離子轟擊的同時(shí)把蒸發(fā)物或其他反應(yīng)物沉積在基體上巨柒。此方式可以對(duì)幾種至十幾種不同的材料進(jìn)行精細(xì)的納米復(fù)合樱拴，使得在2～3μm厚的涂層中包含有幾層、甚至十幾層多相納米復(fù)合層洋满。

    作者采用此方法對(duì)幾種材料（Ti晶乔、N、Mo、S等）進(jìn)行了精細(xì)納米復(fù)合奖肋，在1Cr18Ni9Ti不銹鋼鋼片和φ8麻花鉆頭上制備了TiN-MoS2/Ti多相納米復(fù)合涂層仑连。X光電子能譜儀（XPS）試驗(yàn)顯示，部分Ti以氧化物的形式存在遣拔，在涂層表面形成了致密的氧化膜瀑尔，阻止了涂層進(jìn)一步氧化，從而提高了納米復(fù)合涂層的抗潮濕氧化能力嘶刚。磨損對(duì)比試驗(yàn)則表明：納米復(fù)合涂層的摩擦系數(shù)幾乎不隨磨損壽命的變化而變化元糯，說(shuō)明采用NCUPP法沉積的TiN-MoS2/Ti多相納米復(fù)合“軟”涂層的磨損壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通TiN-MoS2/Ti涂層。

（2）涂層工藝

    涂層工藝的各項(xiàng)參數(shù)同樣影響“軟”涂層界面的結(jié)合力紧碴，進(jìn)而影響涂層的整體性能阐合。
這些參數(shù)包括：Ar氣壓、陰極電流密度膘椿、基體負(fù)偏壓和磁控濺射條件（靶距童隆、金屬或化合物的添加量等）等。有文獻(xiàn)考察了Ar氣壓笙隙、磁控電源模式洪灯、濺射靶類(lèi)型、液氮冷阱等對(duì)涂層性能的影響竟痰。結(jié)果表明：在較低Ar氣壓(試驗(yàn)中為0.40Pa)下獲得的涂層签钩，其性能優(yōu)于較高氣壓(0.88Pa)下獲得的涂層；采用單直流電源制備涂層的磨損體積大于雙脈沖直流電源下的涂層坏快；液氮冷阱條件下制備涂層的磨損體積小于無(wú)液氮冷阱下的涂層铅檩；相對(duì)濕度和Ar 氣壓較低(0 .40Pa)的條件下，冷靶制備的涂層的磨損體積稍高于熱靶莽鸿，但對(duì)較高Ar 氣壓下的涂層則相反昧旨。

    荊陽(yáng)等在大氣環(huán)境下的AZ5032鉆床上進(jìn)行鉆削試驗(yàn)，并考察了采用NCUPP法在φ8mm 6542鋼麻花鉆表面制備的TiN-MoS2/Ti復(fù)合涂層的性能祥得，以及該涂層性能與磁控濺射條件（靶距兔沃、沉積氣壓及Ti添加劑含量）之間的關(guān)系。作者研究后發(fā)現(xiàn)级及，涂層刀具的鉆削壽命與Ti含量直接相關(guān)乒疏，但并非隨著Ti含量的增大而呈線(xiàn)性增長(zhǎng)，而是在Ti含量約為12.5%時(shí)達(dá)到最高饮焦。隨著靶距的減小和沉積氣壓的增加善薪，Ti含量隨之增大，當(dāng)靶距過(guò)懈ξ谩（小于50cm）由瞒、沉積氣壓過(guò)大（超過(guò)3.0Pa）時(shí)援漓，Ti含量顯著增加，結(jié)果造成涂層內(nèi)晶格發(fā)生嚴(yán)重畸變煮泪，畸變能迅速增加标康，致使涂層的耐磨壽命迅速降低，并失去應(yīng)有的潤(rùn)滑效果酌非。作者經(jīng)多次試驗(yàn)后得出結(jié)論：采用靶距50cm胃肖、沉積氣壓3.0Pa（此時(shí)Ti含量約12.5%）時(shí)得到的復(fù)合涂層性能最佳。

    此外叭静，沉積前對(duì)基體進(jìn)行預(yù)濺射清洗可以除去不利于涂層與基體結(jié)合的雜質(zhì)徊激，對(duì)于MoST涂層來(lái)說(shuō)，清洗過(guò)程的同時(shí)開(kāi)一個(gè)金屬濺射靶（如Ti靶）给庶，還可以降低真空室內(nèi)水蒸氣的濃度贿汞；在沉積過(guò)程中通過(guò)對(duì)基體施加一定的負(fù)偏壓對(duì)涂層進(jìn)行離子轟擊，能夠提高層—基間組分的相互擴(kuò)散能力和涂層表面的原子反應(yīng)活性耸黑，從而可以降低涂層中缺陷的產(chǎn)生桃煎。綜合考慮以上因素，有文獻(xiàn)在Ar氣壓為0.40Pa大刊、陰極電流密度10A/cm2为迈、同時(shí)施加-100V負(fù)偏壓進(jìn)行離子轟擊的條件下，獲得了試驗(yàn)中摩擦系數(shù)最低和耐磨性能最好的MoS2涂層缺菌。

3 MoS2“軟”涂層刀具的應(yīng)用效果

    由采用兩種不同的涂層刀具端銑AISI 304不銹鋼時(shí)的平均銑削力對(duì)比及加工后的工件表面質(zhì)量（切削用量：V=150m/ min葫辐，f=0.04mm/r，ap=4mm)可見(jiàn)伴郁，在TiCN上沉積MoST涂層的硬質(zhì)合金銑刀在干摩擦條件下平均銑削力顯著減小耿战，加工表面質(zhì)量也獲得顯著改善。兩方面的影響使得最終產(chǎn)品的數(shù)量和質(zhì)量均取得明顯提高焊傅。

    由三種高速鋼涂層鉆頭鉆孔數(shù)目的比較（切削用量：V=30m/min剂陡，f=0.12mm/r；工件為JIS S50C鋼）可見(jiàn)租冠，在硬涂層TiN上沉積一層MoST“軟”涂層后的鉆頭鹏倘，其壽命比單獨(dú)使用TiN涂層的鉆頭提高了2.1倍策退，比TiAlN涂層鉆頭提高了2.8倍电味。

    有文獻(xiàn)討論了MoST“軟”涂層應(yīng)用的局限性。車(chē)削試驗(yàn)后跑腮，在刀片的熱影響區(qū)發(fā)現(xiàn)有氧存在晌箍，表明在車(chē)削過(guò)程中由于相當(dāng)高的切削溫度引起了涂層的氧化磨損。作者由此認(rèn)為：MoST“軟”涂層不適用于連續(xù)高速車(chē)削工藝帮冶；在低速銑削時(shí)剿恬，MoST“軟”涂層刀具的壽命通常比未涂層刀具高1.15～2倍索击。概括來(lái)講，MoST“軟”涂層刀具適合于低速斷續(xù)切削铡暂。

    由不同基體和涂層的刀具端銑鍛造鋁合金零件時(shí)切削速率的對(duì)比可見(jiàn)邢侵，表面沉積MoS2的高速鋼刀具的切削速率比硬質(zhì)合金刀具提高了2倍，比未涂層高速鋼刀具提高了6倍倡油。

    由有/無(wú)MoS2涂層的陶瓷刀具切削1045鋼和302鋼時(shí)的磨損壽命對(duì)比（切削用量：V1045=180m/min版鳞，V302=103m/min，f=0.1mm/r栓栋，ap=0.25mm）可見(jiàn)程腹，切削1045碳鋼時(shí)，沉積MoS2的Si3N4和Ti（CN）陶瓷刀具磨損壽命比無(wú)涂層刀具延長(zhǎng)50%儒拂；切削302不銹鋼時(shí)寸潦，涂覆MoS2的WC基陶瓷刀具磨損壽命比無(wú)涂層刀具延長(zhǎng)140%。

4 結(jié)語(yǔ)

    MoS2“軟”涂層刀具的研究開(kāi)發(fā)為提高刀具的切削性能提供了新思路社痛。采用MoS2軟涂層能夠顯著降低刀具切削時(shí)的摩擦系數(shù)见转，減小刀具的磨損，延長(zhǎng)刀具壽命蒜哀。封閉磁場(chǎng)非平衡磁控濺射離子鍍和非平衡納米復(fù)合等離子體鍍等涂層方法的開(kāi)發(fā)池户，以及通過(guò)合理選擇基體、優(yōu)化沉積工藝凡怎、進(jìn)行適當(dāng)?shù)幕w前校焦、后處理等技術(shù)與措施使制備的MoS2“軟”涂層結(jié)構(gòu)更加致密，涂層與基體間的結(jié)合力增強(qiáng)统倒，刀具壽命延長(zhǎng)寨典。結(jié)合納米技術(shù)和復(fù)合涂層技術(shù)，拓展新的MoS2涂層技術(shù)房匆，進(jìn)一步優(yōu)化涂層工藝參數(shù)耸成，擴(kuò)大“軟”涂層刀具的切削試驗(yàn)范圍和應(yīng)用范圍，同時(shí)進(jìn)一步探討“軟”涂層摩擦磨損性能獲得提高的機(jī)理茬麻，將是今后一段時(shí)期內(nèi)MoS2“軟”涂層刀具研究的發(fā)展方向台泥。
 
 
 

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